航電系統(tǒng)仿真環(huán)境通信架構(gòu)研究

劉元斌 占日新

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的“中樞神經(jīng)”，航空電子系統(tǒng)的先進程度是衡量現(xiàn)代飛機先進性的重要指標(biāo)。為了測試和驗證航電系統(tǒng)的功能，需要搭建航電系統(tǒng)仿真測試平臺對系統(tǒng)進行測試與優(yōu)化。隨著航電設(shè)備的發(fā)展，航電系統(tǒng)的復(fù)雜性、交互性也逐漸增加，因此需要更為先進、高效的仿真測試平臺。

1 航電系統(tǒng)仿真架構(gòu)研究

1.1 高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）

HLA（High Level Architecture）是分布式交互仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，HLA定義了聯(lián)邦，并提出了聯(lián)邦成員構(gòu)建、描述和交互的基本準(zhǔn)則和方法，提供了1種通用的仿真技術(shù)框架[1]。HLA主要由描述運行支撐框架的API、對象模型模板和HLA規(guī)則構(gòu)成。

HLA作為1個標(biāo)準(zhǔn)、通用的高層仿真體系結(jié)構(gòu)，其廣泛應(yīng)用于分布式交互仿真、人在回路仿真、虛擬仿真以及實況仿真等環(huán)境。

HLA的工作原理如圖1所示。

1.2 分布交互仿真（DIS）

分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實現(xiàn)了各分散仿真設(shè)備的互聯(lián)，形成了可參與的綜合性仿真環(huán)境，具有協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫[2]。從系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)來看，DIS由仿真節(jié)點和計算機網(wǎng)絡(luò)組成。

圖1 HLA工作原理圖

DIS通過網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置的不同類型的仿真與真實世界互連、互操作，建立了1種人可以參與交互操作的時空一致的綜合環(huán)境，通過使用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），可以支持對異地分布的真實、虛擬和構(gòu)造的平臺級仿真之間的互操作。DIS系統(tǒng)將建立大規(guī)模虛擬環(huán)境所需要的計算工作分配到各個節(jié)點；仿真節(jié)點為對等關(guān)系，不區(qū)分服務(wù)器和客戶機。

雖然DIS系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、容錯性好等優(yōu)點，但是其通信量較大、占據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬，不能適應(yīng)國防領(lǐng)域中存在多種時間機制的仿真應(yīng)用，不能滿足大規(guī)模分布仿真的需要。

1.3 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（Data Distribution Service，DDS）規(guī)范主要由以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布 / 訂閱（Data Centered Publish Subscribe，DCPS）和數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層（Data Local Reconstruction Layer，DLRL）組成。DDS規(guī)范了分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞以及接收的接口和行為，定義了DCPS機制，提供了1個與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言，在為實時系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)者提供高級抽象的同時，還能控制部署實時系統(tǒng)需要的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）策略[3]。DDS通信模型的實體組成及結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

DDS支持對松散耦合、模塊化和開放式的架構(gòu)系統(tǒng)進行開發(fā)。通過支持組件和子系統(tǒng)定義良好的界面，DDS徹底改變了煙囪式、封閉和專有的架構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并減少了集成、維護和升級的成本；提高了子系統(tǒng)和中間件的競爭力，使重用變得簡單。

1.4 公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）

公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）擁有跨平臺、跨語言、跨協(xié)議、跨版本以及跨操作系統(tǒng)等特性，主要由CORBA核心、客戶端存根、服務(wù)器端框架、對象適配器、動態(tài)調(diào)用接口、客戶端應(yīng)用程序、對象實現(xiàn)、接口倉庫以及實現(xiàn)倉庫等組成[4]，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對象請求代理（Object Request Broker，ORB）接口規(guī)范應(yīng)用于客戶端和服務(wù)器端之間，使用ORB交互來完成相互的功能，實現(xiàn)了把接口與對象分離的目的，避免了雙方的直接交互，在不同的硬件和軟件平臺上實現(xiàn)了不同功能組件的操作和內(nèi)外部接口的統(tǒng)一，真正做到了接口與系統(tǒng)無關(guān)。

圖2 DDS通信模型的實體組成及結(jié)構(gòu)示意

圖3 CORBA體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 不同仿真架構(gòu)對比

2.1 高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）與數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）

通過分析二者的規(guī)范可知，HLA和DDS都有分配虛擬狀態(tài)和事件的API、應(yīng)用通知中的API以及定義虛擬數(shù)據(jù)/對象模型的語言，其對應(yīng)關(guān)系如下。

2.1.1 分配虛擬狀態(tài)和事件的API

HLA：運行支撐框架API。

DDS：標(biāo)準(zhǔn)DDS-DCPS API。

2.1.2 應(yīng)用通知中的API

HLA：聯(lián)邦代理（Federate Ambassador）。

DDS：標(biāo)準(zhǔn)DDS-DCPS API（實體監(jiān)聽）。

2.1.3 定義虛擬數(shù)據(jù)/對象模型的語言

HLA：對象模型模板、類結(jié)構(gòu)表以及屬性表。

DDS：X-類型說明、IDL、XML以及XSD語言。

HLA與DDS的優(yōu)勢對比見表1。

表1 HLA與DDS優(yōu)勢對比

2.2 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）與公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）

DDS和CORBA的相似之處有以下3點：1） CORBA是用于構(gòu)建分布式對象的中間件，CORBA運用客戶端/服務(wù)器（C/S）的方式對本地和系統(tǒng)中其他過程之間的對象進行調(diào)用，采用外部的broker方式在各個對象之間進行通信。DDS是用于構(gòu)建實時系統(tǒng)中分布式數(shù)據(jù)的中間件，采用發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）的方式；DDS構(gòu)建的系統(tǒng)效率高、容錯能力強且具有較高的性能。2） DDS 和 CORBA都是分布式處理環(huán)境（DCE）中，針對硬件和軟件系統(tǒng)互連問題的解決方案。3） 基于接口定義語言IDL對通信接口進行描述，并通過自動化代碼生成工具創(chuàng)建框架代碼，不同的是CORBA通過IDL定義接口，而DDS通過IDL定義傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。DDS與CORBA的優(yōu)勢對比見表2。

表2 DDS與CORBA優(yōu)勢對比

3 架構(gòu)實施方案

由前文可知，雖然HLA為規(guī)范分布式仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)管理以及時間管理等提供了一套完整的規(guī)范和體系，但是HLA-RTI影響和限制了系統(tǒng)的性能和可擴展性。由于DDS是針對分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，特別適合分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)集成，因此引入DDS作為底層實時運行的支撐平臺，并成為提升分布式仿真系統(tǒng)能力的有效技術(shù)（解決方案）[5]。

CORBA技術(shù)以對象和服務(wù)為中心，采用了C/S通信模式，通信機制較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)收發(fā)需要建立連接的過程，且不支持QoS策略，不能滿足實時性和通信靈活性的需求。

在以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱（DCPS）模型的基礎(chǔ)上制定DDS數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)規(guī)范。開發(fā)人員可以基于DDS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定多種QoS策略，例如發(fā)布/訂閱速率以及通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)長度等。利用DCPS模型的功能為實時與嵌入式系統(tǒng)提供高質(zhì)量的運行保證，從而提高了系統(tǒng)的性能。

3.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

雖然HLA具有模型優(yōu)勢和優(yōu)秀的時間管理機制，但是其不適用于高效率、高吞吐量的大規(guī)模分布式仿真系統(tǒng)；而DDS具有對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分發(fā)的優(yōu)勢。因此采用DDS分發(fā)仿真過程中的網(wǎng)絡(luò)交互，同時借鑒HLA的時間管理機制，在DDS上構(gòu)建的仿真系統(tǒng)不僅具有優(yōu)秀的時間管理和仿真推進機制，還具有超大的仿真規(guī)模以及高效的仿真速率。

仿真系統(tǒng)由時間管理模塊、仿真模塊以及DDS通信模塊組成。其中，DDS通信模塊在仿真系統(tǒng)中通過構(gòu)建3條數(shù)據(jù)總線分別傳輸時間管理類的控制數(shù)據(jù)以及與時間相關(guān)的TSO消息數(shù)據(jù)和與時間無關(guān)的RO消息數(shù)據(jù)。時間管理模塊依靠接收和發(fā)送DDS數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)來控制各個仿真節(jié)點的推進。仿真節(jié)點通過DDS時間管理總線接收時間管理模塊發(fā)來的時統(tǒng)信號來控制該模塊的仿真進度，同時通過TSO數(shù)據(jù)總線及RO數(shù)據(jù)總線與仿真系統(tǒng)中的其他模塊交互仿真數(shù)據(jù)。仿真系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。

3.2 仿真過程中的消息機制

在基于DDS的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)布者和訂閱者采用不同主題的消息。發(fā)布者向DDS發(fā)布其他應(yīng)用系統(tǒng)感興趣的消息，而訂閱者從消息代理處接收自己感興趣的消息，發(fā)布者和訂閱者之間通過消息代理進行關(guān)聯(lián)。

時間管理類的控制數(shù)據(jù)以及與時間相關(guān)的TSO消息數(shù)據(jù)和與時間無關(guān)的RO消息數(shù)據(jù)采用3個不同域的DDS總線，從而減輕時間管理的負(fù)載。HLA中要求時間管理服務(wù)不僅控制協(xié)調(diào)各個節(jié)點的時間推進，而且要求將與時間相關(guān)的TSO消息數(shù)據(jù)和與時間無關(guān)的RO消息數(shù)據(jù)分發(fā)給各個仿真實體，因此就會出現(xiàn)流量壓力過大的情況，從而導(dǎo)致仿真效率變低?；贒DS的時間管理服務(wù)采用分布式的設(shè)計以及發(fā)布訂閱的思想，將仿真節(jié)點間交互的TSO消息和RO消息命名為不同的主題，各個節(jié)點根據(jù)其邏輯關(guān)系通過主題對數(shù)據(jù)進行區(qū)分，仿真節(jié)點能夠根據(jù)需要接收各自的TSO和RO消息，大大減少了時間服務(wù)的負(fù)載壓力。

3.3 基于DDS的時間管理服務(wù)

基于DDS的時間管理服務(wù)示意圖如圖5所示。

圖5 基于DDS的時間管理服務(wù)

時間管理服務(wù)端的主要功能包括以下4 點：1） 在初始化階段，時間管理服務(wù)通過RTI DDS（Request-Reply，請求回應(yīng)模型）接收聯(lián)邦成員發(fā)來的注冊信息并回復(fù)確認(rèn)消息。2） 注冊信息包括聯(lián)邦成員ID、步長以及初始前瞻量等，在第一拍執(zhí)行時才有可用數(shù)據(jù)源。3） 在聯(lián)邦開始運行后，時間管理服務(wù)接收聯(lián)邦成員發(fā)來的前瞻量，并根據(jù)配置文件讀取該運行過程中參與的聯(lián)邦的總個數(shù)，收齊所有聯(lián)邦成員的前瞻量后，計算出最小的前瞻量即LBTS。4） 當(dāng)聯(lián)邦成員向服務(wù)發(fā)送“請求推進”消息后，服務(wù)會將LBTS一對一地發(fā)送給聯(lián)邦成員。

圖4 仿真系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)圖

3.4 基于DDS動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制的監(jiān)控功能

DDS除了具有高效的數(shù)據(jù)分發(fā)能力外，其內(nèi)部還具有高效的發(fā)現(xiàn)機制，通過自帶的發(fā)現(xiàn)協(xié)議，DDS能夠獲取仿真網(wǎng)絡(luò)中各個實體的狀態(tài)信息。DDS通過底層的組播協(xié)議，實時動態(tài)地向網(wǎng)絡(luò)中各個實體獲取實體信息，并通過DDS傳回的發(fā)現(xiàn)消息獲取仿真節(jié)點的信息。

4 結(jié)語

該文通過研究對比不同的仿真架構(gòu)，針對不同架構(gòu)的優(yōu)缺點和適用方向，分析了基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）實現(xiàn)仿真過程中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互以及借鑒高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）時間管理機制的航電系統(tǒng)仿真架構(gòu)，構(gòu)建既有優(yōu)秀的時間管理、仿真推進機制，又有超大的仿真規(guī)模、高效的仿真速率的航電仿真系統(tǒng)。